CN110808649B - 一种双工作谐波转子及交流励磁无刷电机 - Google Patents

一种双工作谐波转子及交流励磁无刷电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双工作谐波转子及交流励磁无刷电机，包括定子和双工作谐波转子，双工作谐波转子具有p次高阶谐波和i次低阶谐波，p＞i；定子槽中具有均为交流的主绕组和励磁绕组，主绕组的极对数与高阶谐波次数相等；励磁绕组的极对数与低阶谐波次数相等；p>i。当p=2i时，内置永磁极为2i个，切向磁钢为i个；当p=3i时，内置永磁极为2i个，切向磁钢为2i个；当p=5i时，内置永磁极为4i个，切向磁钢为2i个；每个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥。本发明能通过在定子中设置励磁绕组，并通过控制励磁绕组电流的交流励磁分量来提供旋转的励磁磁通，励磁磁通经过导磁桥和铁心极进行闭合，从而能调节高阶谐波和低阶谐波的含量。

Description

一种双工作谐波转子及交流励磁无刷电机
技术领域
本发明涉及电机设计和制造领域，特别是一种双工作谐波转子及交流励磁无刷电机。
背景技术
永磁电机具有高转矩/功率密度、高效率和高功率因素等优点，已在许多场合得到应用。然而，永磁电机的弱磁是通过控制电枢绕组中的直轴电流分量（-i d ）来实现，永磁体有着不可逆退磁的风险，且弱磁能力有限。
由于转子直流励磁绕组的存在，电励磁同步电机的气隙磁场易于调节。但是，转子为旋转体，转子直流励磁的无刷化复杂。因此，电励磁同步电机需要额外的励磁机来实现无刷化励磁，增加了电机复杂性，功率密度低。
因此，既具有气隙磁场的灵活调节，又具有高功率密度和高效的混合励磁电机应运而生。现有的混合励磁电机几乎都采用直流励磁，继承了电励磁同步磁阻电机的无刷化复杂的缺点。而且，现有的混合励磁电机都基于单个工作谐波，要想让励磁磁通通过低磁阻的铁心形成闭合回路（获得好的调磁性能），需要额外的辅助装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种双工作谐波转子及交流励磁无刷电机，该双工作谐波转子及交流励磁无刷电机具有两个主要的工作谐波。同时，定子有两套交流绕组，一套作为主绕组（功率绕组），其极对数与转子工作谐波中的高阶谐波次数相等；另一套绕组可为励磁绕组，其极对数与转子工作谐波中的低阶谐波次数相等。通过调节转子中两种工作谐波的含量，进而实现增磁和弱磁。另外，通过控制励磁绕组中的直轴励磁电流，进而实现主绕组（工作绕组）的感应电动势的有效调节。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种双工作谐波转子，包括内置永磁极、切向磁钢、导磁桥和铁心极；
双工作谐波转子的极对数为p，具有p次高阶谐波和i次低阶谐波，p＞i。
当p=2i时，内置永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为i个，其中，i为大于1的正整数。i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相同。相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一对相邻且极性相反的内置永磁极。一个内置永磁极与相邻的一个切向磁钢之间形成一个铁心极。i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥。
当p=3i时，内置永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为2i个，其中，i为正整数。2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反。相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一个内置永磁极。一个内置永磁极与相邻的切向磁钢之间形成一个铁心极。相邻两个内置永磁极充磁方向相反。2i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥。
当p=5i时，内置永磁极的数量为4i个，切向磁钢的数量为2i个，其中，i为正整数。2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反。相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置两个极性相同的内置永磁极，两个极性相同的内置永磁极之间形成一个铁心极，切向磁钢与相邻的内置永磁极之间各形成一个铁心极。2i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥。
通过在定子中设置励磁绕组，并通过控制励磁绕组电流的交流励磁分量来提供励磁磁通，励磁磁通经过导磁桥和铁心极进行闭合，从而能调节高阶谐波和低阶谐波的含量。
每个内置永磁极均为“一”字型、V型、W型、U型或多层混合型。
双工作谐波转子为内转子或外转子，导磁桥设置在每个切向磁钢背离气隙的底部。
交流励磁无刷电机，包括定子和双工作谐波转子。定子和双工作谐波转子之间具有气隙。
定子的定子槽中绕制有主绕组和励磁绕组，主绕组的极对数p与转子工作谐波中的高阶谐波次数相等。励磁绕组的极对数i与转子工作谐波中的低阶谐波次数相等。p和i都为正整数，且p>i。
由于励磁绕组极对数与低阶谐波次数相等，当在励磁绕组中注入负的直轴电流，低阶谐波含量会被降低，同时高阶谐波含量将会提高，从而实现增磁。反之，当在励磁绕组中注入正的直轴电流，低阶谐波含量会被提高，同时高阶谐波含量将会降低，从而实现弱磁。因此，主绕组的感应电动势能通过控制励磁绕组中的直轴励磁电流来得到有效调节。
在需要励磁绕组提供转矩时，通过控制励磁绕组电流的转矩分量与低阶谐波相互作用来产生输出转矩。
主绕组和励磁绕组均为交流绕组。
本发明具有如下有益效果：
1、转子能产生两个主要的工作谐波。同时，本发明的定子有两套交流绕组。其中，一套作为主绕组（功率绕组），其极对数与转子工作谐波中的高阶谐波次数相等。另一套绕组可为励磁绕组，其极对数与转子工作谐波中的低阶谐波次数相等。
2、在需要调磁时，通过控制励磁绕组电流的励磁分量（直轴电流）来提供励磁磁通，从而可以调节转子两种工作谐波的含量。具体的，由于励磁绕组极对数与低阶转子工作谐波对应，若在励磁绕组中注入负的直轴电流，低阶转子谐波含量会被弱掉，那么同时高阶转子工作谐波含量就会提高，从而实现增磁。反之，若在励磁绕组中注入正的直轴电流，低阶转子谐波含量会被提高，那么同时高阶转子工作谐波含量就会降低，从而实现弱磁。因此，主绕组（工作绕组）的感应电动势就可以通过控制励磁绕组中的直轴励磁电流来得到有效调节。
3、励磁绕组也可以为功率绕组使用。在需要励磁绕组提供转矩时，通过控制励磁绕组电流的转矩分量（交轴电流）与转子低阶工作谐波相互作用来产生转矩。
4、本发明的双工作谐波转子为混合极结构，且在切向磁钢的顶部或底部或中部设置有导磁桥。导磁桥和铁心极（内置永磁体与切向磁钢之间形成的极），为定子励磁绕组产生的磁通提供低磁阻路径，便于实现磁通调节，且可以降低电励磁引起的永磁体退磁风险。
附图说明
图1显示了本发明的交流励磁无刷电机在p=3i,且i=1时的结构示意图。
图2显示了本发明的交流励磁无刷电机（p=3i,i=1）在不同励磁模式的气隙磁密成分图。
图3显示了本发明的交流励磁无刷电机（p=3i,i=1）在单独电励磁时的磁通分布图。
图4显示了本发明的双工作谐波转子在p=2i，且i=2时的结构示意图。
图5显示了本发明的双工作谐波转子在p=5i，且i=1时的结构示意图。
其中有：
10.定子；11.主绕组；12.励磁绕组；
20. 双工作谐波转子；21.内置永磁极；22.切向磁钢；23.导磁桥；24.铁心极。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种交流励磁无刷电机，包括定子10和双工作谐波转子20；定子和双工作谐波转子之间具有气隙。
定子和双工作谐波转子的转子铁心均优选采用导磁材料。
双工作谐波转子的极对数为p，能产生两个工作谐波，分别为p次高阶谐波和i次低阶谐波。
定子的定子槽中绕制有主绕组11和励磁绕组12，主绕组的极对数p与转子工作谐波中的高阶谐波次数相等。励磁绕组的极对数i与转子工作谐波中的低阶谐波次数相等。p和i都为正整数，且p>i。
主绕组和励磁绕组均优选为交流绕组，励磁绕组的相数优选等于主绕组的相数，也可以不等。
一种交流励磁无刷电机，可以作为电动机，也可以作为发电机。
如图1、图4和图5所示，一种双工作谐波转子，包括内置永磁极21、切向磁钢22、导磁桥23和铁心极24。
一种双工作谐波转子，具有如下几种优选实施例。
实施例1 以三相内转子m=3，N s =36，p=3i（i=1）为例
本实施例1的交流励磁无刷电机，以三相主绕组m=3，定子槽数N s =36，主绕组极对数p=3，励磁绕组极对数i=1的内转子电机为例，如图1所示。
主绕组和励磁绕组均为交流绕组，励磁绕组的相数优选等于主绕组的相数，也可以不等。
本实例的主绕组为A、B、C相，其中A相可由A1-A6线圈串联而成，也可由A1-A2、A3-A4、A5-A6分别串联后再并联。B相和C相以此类推。励磁绕组为X、Y、Z相，图中只画出X相，X、Y、Z相按逆时针依次相差120°。具体可根据不同应用场合和要求，灵活调节两套绕组的槽面积比例来获得需要的调磁和输出能力。
当p=3i时，内置永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为2i个，其中，i为正整数。本实施例中i=1，也就内置永磁极和切向磁钢的数量均为2个，如图1所示。
2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反。相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一个内置永磁极。一个内置永磁极与相邻的切向磁钢之间形成一个铁心极。相邻两个内置永磁极充磁方向相反。2i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥。
上述切向磁钢和内置永磁极，都内嵌在转子铁心中，有利于高速运行。内置永磁极在本
实施例中，优选呈V型，但也可以为“一”字型、V型、W型、U型或多层混合型等。
如图2所示，本发明的双工作谐波转子能产生p次（也即3次）高阶谐波和i次（也
即1次）低阶谐波谐波。主绕组的极对数p与高阶谐波次数相等。 励磁绕组的极对数i与转低阶谐波次数相等。
本发明中的转子双工作谐波，指的是转子能够产生两种不同阶次的气隙磁密谐波（气隙是能量转换的中介）；主绕组和励磁绕组的极对数分别与之对应。
切向磁钢的底部优选设置有导磁桥，导磁桥和铁心极（内置永磁体与切向磁钢之间形成的极）为励磁绕组产生的磁通提供低磁阻路径，不仅利于调节磁通，也可以降低电励磁引起的永磁体退磁风险。
如图3所示，定子电励磁绕组产生的磁通经过磁桥和铁心极闭合。在图3中，假设所有的磁钢不存在，具体为：混合励磁时，永磁磁场和电励磁磁场同时存在。为了洞悉研究电励磁磁场的磁通路径，会将永磁体假设为空气。
在需要调磁时，通过控制励磁绕组电流的励磁分量（直轴电流）来提供励磁磁通，从而可以调节转子两种工作谐波的含量。具体的，如图2所示，由于励磁绕组极对数与低阶转子工作谐波对应，若在励磁绕组中注入负的直轴电流，低阶转子谐波含量会被弱掉，那么同时高阶转子工作谐波含量就会提高，从而实现增磁。反之，若在励磁绕组中注入正的直轴电流，低阶转子谐波含量会被提高，那么同时高阶转子工作谐波含量就会降低，从而实现弱磁。因此，主绕组（工作绕组）的感应电动势就可以通过控制励磁绕组中的直轴励磁电流来得到有效调节。
励磁绕组也可以为功率绕组使用。在需要励磁绕组提供转矩时，通过控制励磁绕组电流的转矩分量（交轴电流）与转子低阶工作谐波相互作用来产生输出转矩。
切向磁钢在增磁模式时，提供多余的磁势，有利于转子高阶谐波和输出能力的增加。
双工作谐波转子可以为内转子，也可以为外转子。
实施例2
当p=2i时，内置永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为i个，其中，i为大于1的正整数。i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相同。相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一对相邻且极性相反的内置永磁极。一个内置永磁极与相邻的一个切向磁钢之间形成一个铁心极。i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥。
在本实施例中，假设i=2，则内置永磁极的数量为4个，切向磁钢的数量为2个，如图4所示。本申请中i不能为1，当i=1时， 则整个圆周一边为两个内置永磁极，一边为切向磁场和两个铁心极。此时，结构不对称，不利于电机的额稳定运行。
实施例3
当p=5i时，内置永磁极的数量为4i个，切向磁钢的数量为2i个，其中，i为正整数。2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反。相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置两个极性相同的内置永磁极，两个极性相同的内置永磁极之间形成一个铁心极，切向磁钢与相邻的内置永磁极之间各形成一个铁心极。2i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥。
在本实施例中，假设i=1，则内置永磁极的数量为4个，切向磁钢的数量为2个，如图5所示。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双工作谐波转子，其特征在于：包括内置永磁极、切向磁钢、导磁桥和铁心极；
双工作谐波转子的极对数为p，具有p次高阶谐波和i次低阶谐波，p＞i；
当p=2i时，内置永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为i个，其中，i为大于1的正整数；i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相同；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一对相邻且极性相反的内置永磁极；一个内置永磁极与相邻的一个切向磁钢之间形成一个铁心极；i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥；
当p=3i时，内置永磁极的数量为2i个，切向磁钢的数量为2i个，其中，i为正整数；2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置一个内置永磁极；一个内置永磁极与相邻的切向磁钢之间形成一个铁心极；相邻两个内置永磁极充磁方向相反；2i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥；
当p=5i时，内置永磁极的数量为4i个，切向磁钢的数量为2i个，其中，i为正整数；2i个切向磁钢沿转子铁心周向均匀布设，相邻两个切向磁钢充磁方向沿周向相反；相邻两个切向磁钢之间的转子铁心上内置两个极性相同的内置永磁极，两个极性相同的内置永磁极之间形成一个铁心极；切向磁钢与相邻的内置永磁极之间各形成一个铁心极；2i个切向磁钢的顶部、中部或底部均设置有导磁桥；
通过在定子中设置励磁绕组，并通过控制励磁绕组电流的交流励磁分量来提供励磁磁通，励磁磁通经过导磁桥和铁心极进行闭合，从而能调节高阶谐波和低阶谐波的含量。
2.根据权利要求1所述的双工作谐波转子，其特征在于：每个内置永磁极均为“一”字型、V型、W型、U型或多层混合型。
3.根据权利要求1所述的双工作谐波转子，其特征在于：双工作谐波转子为内转子或外转子，导磁桥设置在每个切向磁钢背离气隙的底部。
4.交流励磁无刷电机，其特征在于：包括定子和权利要求1-3任一项所述的双工作谐波转子；定子和双工作谐波转子之间具有气隙；
定子的定子槽中绕制有主绕组和励磁绕组，主绕组的极对数p与转子工作谐波中的高阶谐波次数相等；励磁绕组的极对数i与转子工作谐波中的低阶谐波次数相等；p和i都为正整数，且p>i。
5.根据权利要求4所述的交流励磁无刷电机，其特征在于：由于励磁绕组极对数与低阶谐波次数相等，当在励磁绕组中注入负的直轴电流，低阶谐波含量会被降低，同时高阶谐波含量将会提高，从而实现增磁；反之，当在励磁绕组中注入正的直轴电流，低阶谐波含量会被提高，同时高阶谐波含量将会降低，从而实现弱磁；因此，主绕组的感应电动势能通过控制励磁绕组中的直轴励磁电流来得到有效调节。
6.根据权利要求5所述的交流励磁无刷电机，其特征在于：在需要励磁绕组提供转矩时，通过控制励磁绕组电流的转矩分量与低阶谐波相互作用来产生输出转矩。
7.根据权利要求4所述的交流励磁无刷电机，其特征在于：主绕组和励磁绕组均为交流绕组。
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